This thesis presents the application of topology to machining at the micro and macro levels through an experimental study, modeling and analysis. Uncoated carbide tools of four different cutting edge radii and four different feed rates are used to perform orthogonal machining on AISI 1045 steel disks. The study analyzes the cutting forces, changing grain boundary parameters, micro-hardness, temperature and correlates them to the residual stresses that hold a key to the product life. This analysis helps to understand and evaluate the aspects of grain boundary engineering that influence the fatigue life of a component. The two components of residual stresses (axial and circumferential) are measured, and are correlated with the different cutting edge radii and feed conditions. A topology-based modeling approach is applied to study and understand various outputs in the machining process. The various micro and macro topological parameters that influence the machining process are studied to develop a model to establish the effects of topological parameters in machining using Maple program.

Residual stresses play an important role in the performance of machined components. Component characteristics that are influenced by residual stress include fatigue life, corrosion resistance, and part distortion. The functional behavior of machined components can be enhanced or impaired by residual stresses. Because of this, understanding the residual stress imparted by machining is an important aspect of understanding machining and overall part quality. Machining-induced residual stress prediction has been a topic of research since the 1950s. Research efforts have been primarily composed of experimental findings, analytical modeling, finite element modeling, and various combinations of those efforts. Although there has been significant research in the area, there are still opportunities for advancing predictive residual stress methods. The objectives of the current research are as follows: (1) develop a method of predicting residual stress based on an analytical description of the machining process and (2) validate the model with experimental data. The research focuses on predicting residual stresses in machining based on first principles. Machining process output parameters such as cutting forces and cutting temperatures are predicted as part of the overall modeling effort. These output parameters serve as the basis for determining the loads which generate residual stresses due to machining. The modeling techniques are applied to a range of machining operations including orthogonal cutting, broaching, milling, and turning. The strengths and weaknesses of the model are discussed as well as opportunities for future work.

L'assemblage de pièces de structures composites, notamment en carbone/époxy, est souvent réalisé par liaison boulonnée. Ceci nécessite le perçage des logements de fixations. Cette opération de perçage doit répondre à des contraintes de fiabilité, de productivité et de qualité d'usinage. L'opération de perçage doit donc être maitrisée, ce qui passe par une meilleure compréhension des phénomènes présents en perçage. Mais l'étude de ces phénomènes se heurte à des obstacles tels que l'aspect confiné de l'opération, la géométrie complexe et variable du foret, la variation de vitesse le long de l'arête principale de coupe... Afin de s'affranchir de ces obstacles, des essais élémentaires représentatifs de la coupe en perçage peuvent être proposés. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette optique. Ce travail s'articule autour de trois axes. Le premier concerne une étude de la représentativité des différents essais élémentaires vis-à-vis du perçage. Un outil d'identification de géométrie d'outil est proposé ; il permet d'identifier l'évolution de la géométrie locale des outils coupants et ainsi de proposer des essais élémentaires qui soient géométriquement et cinématiquement représentatifs de la coupe en perçage. Le second axe développé propose une étude des phénomènes présents en coupe orthogonale quasi-statique. Cela permet de s'affranchir des effets liés à la vitesse. Dans ce cadre, des essais de corrélation d'images en coupe orthogonale sont proposés. Ils permettent l'analyse des champs de déplacements et de déformations. Une analyse des efforts générés, de la morphologie des copeaux et des états de surfaces obtenus en fonction de l'angle de coupe et de l'angle ?2 entre la vitesse de coupe et la direction des fibres est également réalisée. Deux types de modèles numériques, macro- mécanique et micro-mécanique, sont proposés. Ils sont confrontés aux résultats expérimentaux. Le dernier axe de travail présente l'analyse des phénomènes liés à la vitesse de coupe en coupe orthogonale. Le modèle macro-mécanique est modifié afin d'intégrer des phénomènes tels que la variation des contraintes à rupture de la matrice en fonction de la vitesse de déformation, ou encore l'évolution du frottement en fonction de la vitesse de glissement. Les résultats du modèle sont confrontés aux résultats expérimentaux. / In aeronautical sector, assembly of CFRP composite structures requires the drilling of the fastener holes. Requirements of reliability, productivity and machining quality are imposed on the drilling process. The operation must be mastered, which requires a better understanding of the phenomena occurring during drilling. But the study of these phenomena faces several major challenges such as the confined aspect of the operation, the complex and variable geometry of the cutting tool, the speed variation along the main cutting edge... To overcome these obstacles, elementary testing representative of the drilling cutting phenomena could be implemented. This is the purpose of this work, which is based on three axes. The first is a study of the geometrical and kinematic representativeness of the elementary tests regarding the drilling operation. A tool geometry identification program is developed. It identifies the evolution of the local geometry of cutting tools along the main cutting edges and allows defining the elementary tests that are geometrically and kinematically representative of the drilling cutting. The second axis developed proposes a study of the phenomena occuring in quasi-static orthogonal cutting. Thus, the effects relative to the cutting speed are not considered. In this context, digital image correlation tests during orthogonal cutting are conducted. They lead to the analysis of the displacements and strains fields. Generated forces, chip morphology and machined surface texture are also investigated, in relation to the rake angle and the angle ?2 between the cutting speed and the direction of fibres. For this configuration, two types of numerical models, a macro-mechanical and a micro-mechanical one, are developed. A comparison is made in relation to experimental results. The last axis of this work concern the analysis of phenomena related to the cutting speed during orthogonal cutting. The macro-mechanical model is modified to include such phenomena as the variation of the matrix breaking stress as a function of strain rate, or the evolution of the friction coefficient according to the sliding velocity. The model results are compared to experimental results.

Práce se zabývá mazáním za použití minimálního množství maziva, tzv. MQL. Cílem práce je experimentálně porovnat řezivost 4 různých řezných olejů. Oleje se v práci nazývají A, B, C a D, protože z důvodu utajení nemohou být zveřejněny jejich skutečné označení. Řezivost olejů bude testována při ortogonálním řezání na soustruhu a vrtání. Pro oba druhy operací budou použity 2 obráběné materiály: Korozivzdorná ocel AISI 316L a hliníková slitina EN-AW 7020. Měřené parametry během pokusů budou řezné síly, maximální teplota a drsnost obrobeného povrchu. Experimentální části předchází část teoretická. V této část jsou shrnuty poznatky týkající se problematiky procesních kapalin, aplikace MQL při obrábění, ortogonálního řezání, vrtání zmíněných materiálů a měření sil a teploty.

N/A / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

L’usinage des pièces en alliages de titane, notamment en Ti6Al4V qui a une faible usinabilité, a été toujours parmi les préoccupations majeures des entreprises du secteur de l’aéronautique. Toutefois, il est difficile, en se basant seulement à des essais expérimentaux, de bien comprendre les mécanismes participants à la formation du copeau. Il est alors nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques fiables permettant d’avoir accès à des grandeurs physiques instantanées et très localisées. Le travail présenté porte sur la fiabilisation de la modélisation de la coupe. Des simulations numériques 2D et 3D ont été mises en place. Le modèle de comportement de Johnson-Cook et le critère énergétique d’évolution d’endommagement ont été utilisés. L’étude préliminaire 2D de l’effet du maillage, notamment la taille, le type et la fonction d’interpolation des éléments finis, a souligné l’importance d’une discrétisation convenable du modèle qui tient compte du coût de calculs. De plus, il a été montré qu’un choix convenable du type de la formulation est crucial. L’effet des coefficients rhéologiques et d’endommagement (initiation et évolution) sur la formation du copeau (morphologie, champ de déformation et de température) a été déterminé. Des essais expérimentaux de la coupe orthogonale du Ti6Al4V à différentes conditions de coupe ont été effectués. La dépendance de la géométrie du copeau et des efforts à la vitesse de coupe et à l’avance a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la validation des modèles numériques 3D qui permettent une étude fine de la formation du copeau. Cette approche a permis de reproduire fidèlement les phénomènes physiques se produisant au niveau du plan médian de la pièce tout en tenant compte de l’écoulement de la matière sur les bords. Les résultats prédits ont mis en évidence que, même dans le cas d’une coupe orthogonale, la formation du copeau est bien un phénomène 3D. Afin d’augmenter la fiabilité des modèles numériques 3D, une nouvelle loi thermo-viscoplastique a été proposée. Cette loi, identifiée et implémentée dans le logiciel Abaqus® à travers la routine VUMAT©, a été utilisée pour la simulation de l’usinage du Ti6Al4V. Elle a conduit à une amélioration notable des résultats numériques. / Machining of titanium alloys workpieces, especially in Ti6Al4V which has a low machinability, has always been among the major preoccupations of the companies in the aeronautics sector. However, it is difficult, basing only on experimental tests, to well understand the mechanisms involved during the chip formation. In fact, the use of reliable numerical models that allow the access to instantaneous and very localized physical quantities is required. The presented work consists on the increase of the cutting modeling reliability. 2D and 3D numerical simulations have been performed. The Johnson-Cook constitutive model and the damage evolution criterion have been used. The preliminary 2D study focused on the mesh effect, especially the size of the finite element, its type and its interpolation function, has highlighted the importance of a convenient discretization of the model that takes into account the machining computing cost. In addition, it has been shown that a suitable choice of the formulation type is crucial. The effect of the rheological and damage (initiation and evolution) coefficients on the chip formation (morphology, strain and temperature field) has been determined. Experimental orthogonal cutting tests of the Ti6Al4V at different cutting conditions have been performed. The dependency of the chip geometry and the efforts to the cutting speed and the feed rate has been studied. Experimental results have been used in the validation of the 3D numerical models, which allow a deep study of the chip formation process. This approach has allowed an accurately reproduction of the physical phenomena that occurs in the median plan of the workpiece as well as in its sides. The predicted results have highlighted that, even in the case of orthogonal cutting process, the chip formation is a 3D phenomenon. In order to increase the reliability of 3D numerical models, a new thermo-visco-plastic law has been proposed. This law, identified and implemented in the software Abqus® through the subroutine VUMAT©, has been used to model machining process of the Ti6Al4V. It has resulted in a notable improvement of numerical results.

Classical orthogonal and oblique cutting are the fundamental material removal or machining processes to which other practical machining processes can be related in the study and modelling of the machining processes. In the last century, a large amount of research and development work has been done to study and understand the various machining processes with a view to improving the processes for further economic (cost and productivity) gains. However, many aspects of the cutting processes and cutting performance remains to be fully understood in order to increase the cutting capability and optimize the cutting processes; in particular, there is little study to understand the effects of the inevitable tool wear on the machining processes. This thesis includes an extensive literature review on the mechanics of cutting analysis. Considerable work has been carried out in past decades on the fundamental analysis of 'sharp' tool cutting. Although some work has been reported on the effects of tool flank wear on the cutting performance, there is a general lack of the fundamental study of the effects of the flank wear on the basic cutting or chip formation process. It has been well documented that tool flank wear results in an increase in the cutting forces. However, it was not known if this force increase is a result of the change in the chip formation process, and/or the rubbing or ploughing forces between the tool flank and the workpiece. In work carried out since the early 1980s, the effects of the so-called edge forces have been considered when the tool is not absolutely sharp. Little has been reported to further develop fundamental cutting theories to understand applications to more relevant the practical situation, i.e. to consider the tool wear effects. Based on the findings of the literature review, an experimental investigation is presented in the first part of the thesis to study the effects of tool flank wear on the basic cutting or chip formation process by examining the basic cutting variables and performance in the orthogonal cutting process with tool flank wear. The effects of tool flank wear on the basic cutting variables are discussed by a comprehensive analysis of the experimental data. It has been found that tool flank wear does not affect the basic cutting variables (i.e. shear angle, friction angle and shear stress). It is therefore deduced that the flank wear does not affect the basic chip formation process in the shear zone and in the tool-chip interface. The study also finds that tool flank wear causes an increase in the total cutting forces, as can be expected and such an increase is entirely a result of the rubbing or ploughing forces on the tool wearland. The significance of this finding is that the well-developed machining theories for 'sharp' tools can be used in modelling the machining processes when tool flank wear is present, rather than study the machining process and develop machining theories from scratch. The ploughing forces can be modelled for incorporation into the overall cutting force prediction. The experimental study also allows for the forces on the wearland (or wearland force) and edge forces to be separated from the total measured forces. The wearland force and edge force models are developed in empirical form for force prediction purpose. In addition, a database for the basic cutting variables or quantities is established for use in modelling the cutting forces. The orthogonal cutting force model allowing for the effects of flank wear is developed and verified by the experimental data. A comprehensive analysis of the mechanics of cutting in the oblique cutting process is then carried out. Based on this analysis, predictive cutting force models for oblique cutting allowing for the effects of flank wear are proposed. The wearland force and edge force are re-considered by analysing the oblique cutting process and the geometrical relation. The predictive force models are qualitatively and quantitatively assessed by oblique cutting tests. It shows that the model predictions are in excellent agreement with the experimental data. The modelling approach is then used to develop the cutting force models for a more general machining process, turning operation. By using the concept of an equivalent cutting edge, the tool nose radius is allowed for under both orthogonal and oblique cutting conditions. The wearland forces and edge forces are taken into consideration by the integration of elemental forces on the tool flank and the cutting edge, respectively. The cutting forces in turning operations are successfully predicted by using the basic cutting quantity database established in the orthogonal cutting analysis. The models are verified by turning operation tests. It shows that the model predictions are in excellent agreement with the experimental results both qualitatively and quantitatively. The major findings, research impacts and practical implications of the research are finally highlighted in the conclusion. The modelling approach considering the flank wear effects in the classical orthogonal and oblique cutting and turning operations can be readily extended to other machining operations, such as drilling and milling.

Lors de la première transformation du bois en scierie, les grumes sont surfacées ou équarries par des têtes de fraisages appelées slabber ou canter. Sous leur action, le copeau de bois est fragmenté en plaquettes dont la valorisation est un enjeu majeur de la filière. Débouché le plus rémunérateur de cette ressource, l’industrie de la pâte à papier impose des critères dimensionnels aux plaquettes approvisionnées notamment concernant leur épaisseur. L’objectif de l’étude est donc d’améliorer la compréhension des mécanismes mis en jeu par la coupe du bois, dans une configuration simplifiée de coupe orthogonale, afin d’optimiser la granulométrie des plaquettes produites. Une campagne expérimentale de coupe sur machine-outil à commande numérique a été réalisée sur du hêtre vert afin de déterminer les mécanismes principaux actionnés. Un modèle mécanique simplifié du comportement dynamique du bois vert est déterminé, ceci afin de développer un modèle numérique du bois vert par la Méthode des Eléments Discrets (DEM) en vue de simuler sa coupe. Une étude préliminaire pour déterminer la capacité de la méthode à modéliser à l’échelle mésoscopique des milieux fortement orthotropes a été réalisée. Sa capacité et ses limites démontrées, la démarche de calibration du modèle numérique a été élaborée et le modèle sollicité en configuration de coupe orthogonale numérique. Les premières simulations présentent des résultats encourageants. / When entering sawmills, logs are faced into cants by the mean of chipper-canters. During this machining, the ribbon produced is split into small chips whose proper valorization is a high economic stake for the industry. The paper maker industry, which is the most worthwhile chips supplier, is strongly concerned by dimensional criterions of the chips for their process optimization, especially toward their thickness. The objective of this work is to improve the comprehension of cutting and fragmentation mechanisms, in a simplified orthogonal cutting configuration, to provide cutting rules to optimize the produced chips geometry. An experimental campaign dedicated to green beech cutting on a computer numerical command machining center is done to study those mechanisms. A simple mechanical model is derived, in order to develop a Discrete Element Method (DEM) model of the material to simulate cutting operations. A preliminary study dedicated to prove the capability of DEM to model a wood-like orthotropic continuous media is presented. The numerical model is then calibrated and cutting simulations are designed to copy the experimental conditions. First results are encouraging.

Aujourd'hui, les méthodes de corrélation d'images sont largement utilisées pour la caractérisation et le suivi temporel des essais mécaniques. Cependant dans le domaine de l'usinage, ces méthodes sont très peu employées pour l'étude en pointe d'outil de la coupe par manque d'accessibilité, de la faible taille de la zone observée et des fortes déformations dans la zone de coupe. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de corrélation d'images pour l'étude et la caractérisation des champs cinématiques induits dans la matière usinée, durant des essais de coupe conduits avec des conditions opératoires représentatives des opérations industrielles. Ces conditions nous ont permis de développer, en premier lieu, des outils expérimentaux et numériques. Puis, les performances du dispositif expérimental ainsi que les incertitudes de corrélation ont été quantifiées. Différentes stratégies d'exploitation des images ainsi que des outils numériques pour la mesure des caractéristiques de la coupe sont proposés. Ensuite, nous avons développé un outil de corrélation d'images intégrée pour la mesure des efforts dynamiques grâce à un modèle analytique. Pour valider l'ensemble des méthodes, des essais de rabotage, d'abord dans un alliage d'aluminium, puis dans un acier 100~CrMo~7 traité thermiquement, ont été conduits. Ils ont permis de quantifier les champs cinématiques ainsi que les caractéristiques de la coupe. Enfin ces outils ont été appliqués pour la prédiction de l'intégrité de surface engendrée par une géométrie 3D d'outil de coupe dans le matériau dur. / Nowadays, digital image correlation (DIC) methods are widely employed to the mechanical testing characterization and their temporal monitoring. However in the machining field, to study the cutting process at the tool edge, these methods are not commonly applied due to the poor accessibility, the size of the observed area and the large strain occurring herein. In this study, the kinematic fields induced in the material by the cutting process are characterized and analyzed at industrial cutting conditions. In order to take and treat the pictures of the cut, experimental and numerical techniques have been first established. Then, the experimental setup performances and the uncertainties of the DIC were quantified. Different images selection strategies for the DIC and numerical post-processing algorithm for measuring the characteristics of the cut were proposed. Furthermore, a DIC integrated approach based on an analytical model was developed to record dynamics cutting forces. Trials in orthogonal configuration were performed and analyzed to validate the developed procedures first in an aluminium alloy, then in a 100~CrMo~7 hardened steel. The kinematics fields and the macroscopic data of the cut were successfully measured thanks to these tools. Finally, they were used for the prediction of the surface integrity induced by a 3D cutting edge in the hard material.

Les procédés de mise en forme par enlèvement de matière introduisent, lors de la formation du copeau,des phénomènes complexes et rendent difficiles la maîtrise des grandeurs énergétiques. Des mesuresréalisées à l’aide d’un dynamomètre à six composantes permettent de mieux appréhender ces phénomènes.Ce dynamomètre permet de mesurer l’ensemble des actions mécaniques transmises par la liaison mécaniqueentre la matière usinée (copeau et pièce) et l’outil de coupe. Les mesures révèlent alors la présence demoments, à la pointe de l’outil, non évalués par les modèles de coupe classiques. Cependant, les lois decomportement actuelles ne permettent pas d’exprimer complètement ces phénomènes complexes (gradientsde déformations) lors de la formation du copeau. Actuellement, une modélisation analytique ou numérique etrendant compte de ces phénomènes est donc exclue. Des approches expérimentales ont alors été menées entournage et en perçage. Aujourd’hui ces recherches s’étendent au cas du fraisage.Pour ceci, un nouveau dynamomètre à six composantes adapté au fraisage a été conçu, réalisé etétalonné. Une démarche expérimentale a alors été mise en place afin de modéliser le moment de coupeconsommateur de puissance. Ce moment est alors étudié dans une configuration de coupe orthogonale enfraisage. Un modèle expérimental du moment de coupe est alors proposé. Cette modélisation fait intervenir lasection de copeau réelle instantanée et un nouveau critère énergétique : la densité de moment. Une étude surles paramètres cinématiques réels de l’outil montre la nécessité de prendre en compte la section de copeauinstantanée réelle. Celle–ci est alors calculée à partir de la position réelle de l’outil déduite des donnéescinématiques extraites des codeurs de position des axes et de la broche de la machine outil. Les paramètresinfluents sur la densité de moment ont été mis en évidence par un plan d’expériences et une analyse de lavariance. Une modélisation de ce critère similaire aux coefficients spécifiques de coupe a par la suite étédéveloppée.Enfin, le bilan énergétique de l’opération de coupe étudiée est considéré. Une démarche pratiqued’évaluation rapide de la puissance maximale de coupe est présentée en intégrant la modélisation du momentproposée. L’intérêt et l’importance de la prise en compte du moment de coupe sont alors confirmés pourprédire et définir les énergies mises en jeu par le processus de coupe. / In the cutting process, during the chip formation, complex phenomena occur and the control of theenergy parameters is difficult. Information about these phenomena are given with the measurement of the sixcomponents of the mechanical actions. This dynamometer allows to measure the six mechanical actions (3forces and 3 moments) between the chip, the workpiece and the tool during the chip formation. Themeasurement of the moments at the tooth tip is not inclued in the classical cutting model.However, actual behaviour laws cannot express all the phenomena occurred during the chip formation.Thus, analytical or numerical cutting model taking into account these phenomena is not possible. Previousstudies have been performed in turning and drilling and allow to extend these works to milling.A new six components dynamometer suitable to milling have been designed and calibrated. Anexperimental approach is proposed in order to model the cutting moment involved in the cutting energybalance. The study is performed in orthogonal cutting configurations. A model of cutting moment is proposedand depends on the instantaneous undeformed chip section and a new criteria : the moment density. A studyon real kinematic parameters shows that the instantaneous undeformed chip section have to take intoaccount. The instantaneous undeformed chip section is computed with real position of the tool obtained withthe encoders of linear axes and spindle of the CNC Machine. Design of experiments and variance analysis haveshown influent parameters on the moment density. A model of the moment, close to specific pressurecoefficient, has been developed.Finally, the cutting energy balance of the milling operation used is studied. A practical approach includedthe moment model allow an accurately evaluation of the energy balance. In milling operation, the studyconfirms the cutting moment at the tool tip and shows the necessity to take into account moments in theenergy balance.